JP2005165200A - Optical device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光デバイスとその製造方法に関し、特にそのパッケージ封止構造に関する。 The present invention relates to an optical device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a package sealing structure thereof.
従来、例えば光通信分野等において、光ファイバを用いた光デバイスが多用されており、情報伝送路である光路を切り替えるための光スイッチや、ビームを減衰させるための光アッテネータ等の様々な光デバイスが用いられている。このような光デバイスにおいて、特に光ファイバに光学的に接続される光学素子は、湿気による機能低下や不良を生じる可能性がある。従って、光学素子を筐体内に収容したパッケージ構造が広く用いられている。このようなパッケージ構造をできるだけ気密に封止することによって、外部の湿気から光学素子を保護し、結露を防止して、光デバイスの特性の安定性および信頼性を高めている。 2. Description of the Related Art Conventionally, optical devices using optical fibers have been widely used in, for example, the optical communication field, and various optical devices such as an optical switch for switching an optical path as an information transmission path and an optical attenuator for attenuating a beam. Is used. In such an optical device, in particular, an optical element optically connected to the optical fiber may cause functional deterioration or failure due to moisture. Therefore, a package structure in which an optical element is accommodated in a housing is widely used. By sealing such a package structure as tightly as possible, the optical element is protected from external moisture, condensation is prevented, and the stability and reliability of the characteristics of the optical device are enhanced.
従来の光デバイスのパッケージ構造の気密封止方法として、例えば特許文献1の図5には、ケースの、蓋部材との接合部に光ファイバ導入用の凹部が設けられており、メタライズした光ファイバをこの凹部内に配置してケースと蓋部材をはんだ付けする方法が記載されている。また、特許文献1の図6には、図5と同様な構成ではんだの代わりに低融点ガラスを用いて気密封止する方法が、特許文献1の図7には、図5と同様な構成ではんだの代わりに樹脂を用いて気密封止する方法が記載されている。
As a conventional hermetic sealing method for a package structure of an optical device, for example, in FIG. 5 of
パッケージ構造を有する光デバイスは、光ファイバの端部と光学素子が光軸を一致させられた状態で接着剤等によってケース内に固定され、その後、ケースと蓋部材が固着されて封止される。特許文献1の図5,6に示されている方法では、はんだや低融点ガラスで蓋部材を封止する際にパッケージ全体の温度を上昇させてしまう。例えば、低融点はんだによる封止を行うためには百数十度、低融点ガラスによる封止を行うためには約450度まで加熱する必要がある。この時に、パッケージ内部において光学素子を固定している接着剤が溶融したり破損したりして、光ファイバと光学素子の相対位置ずれを生じるおそれがある。例えば、エポキシ系接着剤や紫外線硬化型接着剤は、100℃近くまで温度が上昇すると破損するおそれがある。これによって、光ファイバと光学素子の光軸がずれてしまうと、光学デバイスとしての機能を果たせなくなってしまう。通常、ケースと蓋部材を固着した後に光ファイバと光学デバイスの相対位置を修正することは不可能なので、この光学デバイスは、分解して作り直さない限り使用できない不良品になる。
An optical device having a package structure is fixed in the case with an adhesive or the like in a state where the end of the optical fiber and the optical element are aligned with each other, and then the case and the lid member are fixed and sealed. . In the method shown in FIGS. 5 and 6 of
特許文献1の図7に示されている方法では、樹脂による封止時にそれほど高温にする必要がないので、接着剤の溶融や破損に伴う光ファイバと光学素子の光軸のずれを生じる可能性は低い。しかし、樹脂の気密封止レベルは金属やガラスに比べると低いため、高温高湿等の厳しい環境条件下に長時間さらされた場合には、樹脂を介してパッケージ内に少しずつ湿気が入り込み、その後低温になったときに光学素子に結露を生じて、光デバイスとしての特性の悪化や寿命の低下を招くおそれがある。
In the method shown in FIG. 7 of
これに対して、特許文献2には、筐体(ケース)の側壁から外部に突出する筒状部が設けられており、光ファイバは、この筒状部を貫通してケースの内部から外部に突出する構成が開示されている。この構成では、光ファイバの導入部である筒状部の封止と、ケースと蓋部材の接合は別々に行われる。そして、メタライズした光ファイバを筒状部内にてはんだ付けすることができる。この場合、はんだの加熱はケース内部から離れた筒状部で行われるため、その熱はケース内の中央部に位置する光学素子を固着する接着剤にはあまり伝わらない。このように特許文献2では、筒状部内での光ファイバの封止の、ケース内部への熱的影響が低減される。しかし、特許文献2にはケースと蓋部材の接合方法については具体的に記載されておらず、パッケージ全体を完全に封止する構造は開示されていない。ケースと蓋部材を機密性高く封止できるかどうかという点や、ケースと蓋部材の接合時にケース内部に熱的影響を及ぼす可能性については、特許文献2では考慮されていない。
On the other hand,
一方、特許文献3には、蓋部材の封止方法として、ケースと蓋部材をシーム溶接等の抵抗溶接によって接合して封止する方法が開示されている。
光デバイスのケースと蓋部材を接合するための抵抗溶接の例としては、主にICや水晶振動子等の気密封止に利用される、いわゆるキャンシール溶接が挙げられる。キャンシール溶接は、図9に模式的に示すように、素子101を内蔵したパッケージを構成するキャップ102とステム103を接合するために、キャップ102の外形を覆うような電極104と、ステム103の下方の電極105によって接合部を挟み込んで、電極104,105に電圧を印加して溶接する方法である。このキャンシール溶接を光デバイスのケースと蓋部材の接合に用いる場合、ケースの外形に合わせた電極が必要である。従って、少量多品種生産が行われる光デバイスでは、1種類の光デバイスごとにその都度電極を設計して製造する必要があるため、製造コスト上昇の要因となる。また、光デバイスは、一般的にICや水晶振動子等と比較して寸法が大きいので、電極に対する1回の通電によって比較的長い距離を溶接することになる。そのため、溶接結果の安定性に欠け、気密不良が起こりやすいという問題がある。
As an example of resistance welding for joining the case of the optical device and the lid member, so-called can seal welding, which is mainly used for hermetic sealing of ICs, crystal resonators and the like, can be cited. As schematically shown in FIG. 9, the can seal welding is performed by joining an
また抵抗溶接の他の例として、いわゆるパラレルシーム溶接が挙げられる。パラレルシーム溶接の場合、図10に模式的に示すように、1対のローラー電極106が、ケース107に接合すべき蓋部材108の外縁に沿って回転しながら移動して溶接を行う。しかし、光デバイスのパッケージ形状が複雑である場合、特に、クリップ状の締結部材によってフェルール等を係止するための凹部がパッケージ表面に設けられているような場合には、光デバイスのパッケージを構成する蓋部材108の外縁に沿ってローラー電極106を転がすことが困難であり、ローラー電極106が蓋部材108の表面に接して転がり移動できない部分では、十分な接合が行われない可能性がある。
Another example of resistance welding is so-called parallel seam welding. In the case of parallel seam welding, as schematically shown in FIG. 10, a pair of
そこで本発明の目的は、光ファイバの導入部の封止とケースと蓋部材の接合とを別々に行い、光ファイバの導入部の封止をケース内部から離れた位置で行って、ケース内部への熱的影響を低減するとともに、パッケージ形状が複雑であっても強固に封止でき、ケース内への湿気の進入を防止できる光デバイスとその製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to seal the optical fiber introduction part and the case and the lid member separately, and to seal the optical fiber introduction part at a position away from the inside of the case. It is an object of the present invention to provide an optical device and a method for manufacturing the same that can reduce the thermal influence of the device, can be firmly sealed even if the package shape is complex, and can prevent moisture from entering the case.
本発明の光デバイスは、少なくとも一つの開口部を有している中空のケースと、ケースの側面に設けられた孔部から外部に突出する筒状部と、筒状部および孔部を貫通してケースの内部から外部へ延びており、筒状部を封止する低融点はんだによって筒状部内に固定されている光ファイバと、レーザー溶接によって、ケースに開口部を塞ぐように接合されている蓋部材とを有することを特徴とする。 An optical device according to the present invention includes a hollow case having at least one opening, a cylindrical portion protruding outside from a hole provided in a side surface of the case, and the cylindrical portion and the hole. Extending from the inside of the case to the outside, and joined to the case so as to close the opening by laser welding and an optical fiber fixed in the cylindrical portion by a low melting point solder that seals the cylindrical portion And a lid member.
この構成では、筒状部の封止とケースと蓋部材の接合とを別々に行って、ケース内部への熱的影響が抑えられているため、内部に固定されている光学素子や光ファイバの端部の位置ずれや光軸のずれ等が生じない。また、ケースと蓋部材から構成されるパッケージは良好に封止されている。 In this configuration, sealing of the cylindrical portion and joining of the case and the lid member are performed separately, so that the thermal influence on the inside of the case is suppressed. There is no end position shift or optical axis shift. Moreover, the package comprised from a case and a cover member is sealed favorably.
筒状部は、ケースの開口部の外縁から、少なくとも蓋部材をケースに接合するためのレーザー溶接時に熱エネルギーが伝わる範囲外まで離れていることが好ましい。また、筒状部は、ケースの開口部の外縁から、少なくとも蓋部材をケースに接合するためのレーザー溶接時のレーザーの溶け込み深さよりも長い距離だけ離れていることが好ましい。このような構成によると、レーザー溶接時に、筒状部の周辺でもそれ以外の部分でも実質的に同等な条件で均等な溶接ができ、封止の信頼性および安定性が高い。 It is preferable that the cylindrical portion is separated from the outer edge of the opening of the case to at least the outside of the range where thermal energy is transmitted during laser welding for joining the lid member to the case. Moreover, it is preferable that the cylindrical part is separated from the outer edge of the opening part of the case by a distance longer than at least the penetration depth of the laser at the time of laser welding for joining the lid member to the case. According to such a configuration, at the time of laser welding, uniform welding can be performed under substantially the same conditions at the periphery of the cylindrical portion and other portions, and the sealing reliability and stability are high.
レーザー溶接はYAG(Yttrium-Aluminum-Garnet)レーザー溶接であると、簡便に行うことができ良好な溶接が行える。 When laser welding is YAG (Yttrium-Aluminum-Garnet) laser welding, it can be easily performed and good welding can be performed.
さらに本発明の光デバイスは、光ファイバと光軸が一致するようにケース内に配置されている光学素子を有している。 Furthermore, the optical device of the present invention has an optical element disposed in the case so that the optical axis coincides with the optical fiber.
蓋部材と筒状部は、コバールまたは42ニッケル−鉄からなることが好ましい。また、ケースは、コバールと42ニッケル−鉄とセラミック材料のうちのいずれかからなることが好ましい。コバールと42ニッケル−鉄は熱膨張率が小さいため、温度変化時の熱膨張や収縮によって光ファイバや光学素子の固定部分に応力が加わって光軸がずれたり破損したりするおそれが小さい。 The lid member and the cylindrical portion are preferably made of Kovar or 42 nickel-iron. The case is preferably made of any one of Kovar, 42 nickel-iron, and a ceramic material. Since Kovar and 42 nickel-iron have a low coefficient of thermal expansion, there is little risk of stress being applied to the fixed portion of the optical fiber or optical element due to thermal expansion or contraction when the temperature changes, causing the optical axis to shift or break.
光ファイバの、低融点はんだによって封止されている部分が、被覆が除去された状態でニッケルおよび金によるメタライズ処理が施されていると、低融点はんだによる固定が良好に行える。光ファイバのメタライズ処理によるニッケル層の厚さは1μm以下であり、金層の厚さは0.2μm以下であると、メタライズ層が厚すぎることによる引っ張り強度の低下を抑えられる。光ファイバの、被覆が除去された状態でメタライズ処理が施されている部分の長さは2mm〜5mmであると、光ファイバの配列が乱れる可能性が低く、かつ低融点はんだによって十分な封止効果が得られる。 When the portion of the optical fiber sealed with the low melting point solder is subjected to metallization with nickel and gold with the coating removed, the fixing with the low melting point solder can be performed satisfactorily. When the thickness of the nickel layer by the metallization treatment of the optical fiber is 1 μm or less and the thickness of the gold layer is 0.2 μm or less, a decrease in tensile strength due to the metallization layer being too thick can be suppressed. If the length of the portion of the optical fiber that has been metallized with the coating removed is 2 mm to 5 mm, the arrangement of the optical fiber is less likely to be disturbed and sufficient sealing is achieved with a low melting point solder. An effect is obtained.
なお、光ファイバの、被覆が除去された部分のうちの一部にのみメタライズ処理が施されており、被覆が除去されてメタライズ処理が施されていない部分のうち、メタライズ処理が施された部分よりも先端側の一部が保護部材によって覆われている構成にすることも可能である。 In addition, the metallization process is performed only on a part of the optical fiber where the coating is removed, and the part where the coating is removed and the metallization process is not performed. It is also possible to adopt a configuration in which a part on the tip side is covered with a protective member.
ケースと筒状部に厚さ1μm〜5μmのニッケルメッキ層が形成されていると、耐腐食性が向上する。さらに、筒状部の少なくとも内面に厚さ0.05μm〜1μmの金メッキ層が形成されていると、はんだ濡れ性が向上して低融点はんだによる封止効果が向上する。 When a nickel plating layer having a thickness of 1 μm to 5 μm is formed on the case and the cylindrical portion, the corrosion resistance is improved. Further, when a gold plating layer having a thickness of 0.05 μm to 1 μm is formed on at least the inner surface of the cylindrical portion, the solder wettability is improved and the sealing effect by the low melting point solder is improved.
本発明の光デバイスの製造方法は、少なくとも一つの開口部と、側面に設けられている孔部と、孔部から外部に突出する筒状部とを有している中空のケースに、光ファイバを、筒状部および孔部を貫通してケースの内部から外部へ延びるように配置する工程と、筒状部を低融点はんだによって封止して光ファイバを筒状部内に固定する工程と、筒状部を封止した後に、レーザー溶接によって、ケースに開口部を塞ぐように蓋部材を接合する工程とを含むことを特徴とする。 An optical device manufacturing method according to the present invention includes an optical fiber in a hollow case having at least one opening, a hole provided in a side surface, and a cylindrical part protruding outside from the hole. A step of passing through the tubular portion and the hole so as to extend from the inside of the case to the outside, a step of sealing the tubular portion with a low melting point solder and fixing the optical fiber in the tubular portion, And a step of joining the lid member so as to close the opening in the case by laser welding after sealing the cylindrical portion.
仮に、蓋部材がケースに接合された後に筒状部を封止すると、筒状部の加熱時や冷却時にケース内の空気が膨張や収縮することによって、溶融状態の低融点はんだに通気穴が形成されてそのまま固化してしまったり、溶融状態の低融点はんだがケースの中心部側まで引き込まれてしまうおそれがある。しかし、前記した本発明の方法によると、蓋部材をケースに接合する前に筒状部を低融点はんだで封止しているため、このような不具合が防止される。 If the cylindrical part is sealed after the lid member is joined to the case, the air in the case expands and contracts when the cylindrical part is heated or cooled, so that a vent hole is formed in the molten low melting point solder. There is a possibility that it is formed and solidifies as it is, or the low melting point solder in a molten state is drawn into the center of the case. However, according to the method of the present invention described above, since the cylindrical portion is sealed with the low melting point solder before the lid member is joined to the case, such a problem is prevented.
低融点はんだによる封止は、ケースから外方に突出した筒状部を局所的に加熱することによって行われ、また、レーザー溶接によるケースと蓋部材の接合は、接合すべき部分を局所的に加熱して溶融させることによって行われるので、ケース全体が過度に温度上昇することはなく、ケース内で光学素子や光ファイバを固定している接着剤が熱によって破損して光軸ずれをおこすことはない。 Sealing with low melting point solder is performed by locally heating the cylindrical part protruding outward from the case, and joining of the case and the lid member by laser welding is performed locally at the part to be joined. Since it is performed by heating and melting, the temperature of the entire case does not rise excessively, and the adhesive fixing the optical element and optical fiber in the case is damaged by heat and the optical axis shifts. There is no.
光ファイバを配置する工程の前に、筒状部をケースの側面に取り付ける工程を含んでいてもよい。筒状部をろう付けによってケースの側面に取り付けてもよい。 A step of attaching the cylindrical portion to the side surface of the case may be included before the step of arranging the optical fiber. You may attach a cylindrical part to the side surface of a case by brazing.
ケース内に光学素子を配置する工程と、光学素子と光ファイバの端部の光軸合わせを行い、両者を相対的に固定する工程とをさらに含んでいてもよい。光学素子と光ファイバの端部の光軸合わせは、ケース内で行ってもケース外で行ってもよい。 The method may further include a step of arranging the optical element in the case and a step of aligning the optical axes of the optical element and the end of the optical fiber and relatively fixing them. The optical axis alignment between the optical element and the end of the optical fiber may be performed inside the case or outside the case.
光ファイバの、低融点はんだによって封止される部分に、予め被覆を除去してからニッケルおよび金によるメタライズ処理を施する工程をさらに含むことが好ましい。光ファイバにメタライズ処理を施す工程にて、厚さが1μm以下のニッケル層と、厚さが0.2μm以下の金層を形成することが好ましい。光ファイバにメタライズ処理を施す工程にて、長さが2mm〜5mmの範囲にメタライズ処理を施すことが好ましい。また、光ファイバにメタライズ処理を施す工程にて、被覆が除去された部分のうちの一部にのみメタライズ処理を施し、被覆が除去されてメタライズ処理が施されていない部分のうちの、メタライズ処理が施されている部分よりも先端側の一部を保護部材によって覆う工程を含むようにすることも可能である。 It is preferable to further include a step of removing the coating in advance on the portion of the optical fiber that is sealed with the low melting point solder and then performing a metallization treatment with nickel and gold. It is preferable to form a nickel layer having a thickness of 1 μm or less and a gold layer having a thickness of 0.2 μm or less in a step of metallizing the optical fiber. In the step of applying metallization to the optical fiber, it is preferable to apply metallization to a length of 2 mm to 5 mm. Further, in the step of performing the metallization process on the optical fiber, the metallization process is performed only on a part of the portion where the coating is removed, and the metallization process is performed on the part where the coating is removed and the metallization process is not performed. It is also possible to include a step of covering a part on the front end side with respect to the portion where the is provided by a protective member.
ケースと筒状部に、厚さ1μm〜5μmのニッケルメッキ層を形成するニッケルメッキ工程をさらに含むことが好ましい。筒状部の少なくとも内面に、厚さ0.05μm〜1μmの金メッキ層を形成する金メッキ工程をさらに含むことが好ましい。 It is preferable to further include a nickel plating step of forming a nickel plating layer having a thickness of 1 μm to 5 μm on the case and the cylindrical portion. It is preferable to further include a gold plating step of forming a gold plating layer having a thickness of 0.05 μm to 1 μm on at least the inner surface of the cylindrical portion.
本発明によると、主にケースと蓋部材から構成されるパッケージが、光ファイバが貫通している筒状部が低融点はんだで封止され、ケースと蓋部材がレーザー溶接により接合されてることにより封止されており、高い気密レベルが確保され、内部結露が生じて特性が悪化したり寿命が短くなることがない。 According to the present invention, a package mainly composed of a case and a lid member is formed by sealing a cylindrical portion through which an optical fiber passes with a low melting point solder and joining the case and the lid member by laser welding. Sealed, high airtightness level is ensured, and internal dew condensation does not occur to deteriorate the characteristics or shorten the service life.
光ファイバが貫通している筒状部の封止は、ケースから外方に突出した筒状部内の低融点はんだのみを加熱することによって行われ、ケースと蓋部材の接合は、接合部のみを局所的に加熱するレーザー溶接によって行われる。従って、ケース内の光学素子やそれを固定している接着剤に伝わる熱は小さく、位置ずれや破損を生じるおそれがない。 Sealing of the cylindrical portion through which the optical fiber passes is performed by heating only the low melting point solder in the cylindrical portion protruding outward from the case, and the case and the lid member are bonded only to the bonding portion. This is done by locally heated laser welding. Therefore, the heat transmitted to the optical element in the case and the adhesive that fixes the optical element is small, and there is no possibility of causing displacement or damage.
蓋部材とケースの接合は、レーザーの照射位置と、接合すべきケースおよび蓋部材とを相対的に移動させてレーザー溶接を行うことによって行える。従って、ケースおよび蓋部材の形状が複雑であっても容易に接合でき、また大きさに関係なく一定の封止が行える。それによって、少量多品種の光デバイスの製造を行う場合にも、1品種ごとに装置の設計や構成を変える必要がなく、生産コストが低く抑えられる。 The lid member and the case can be joined by performing laser welding by relatively moving the laser irradiation position and the case and lid member to be joined. Therefore, even if the shape of the case and the lid member is complicated, they can be easily joined, and a constant sealing can be performed regardless of the size. As a result, even when manufacturing a small amount of various types of optical devices, it is not necessary to change the design and configuration of the apparatus for each type, and the production cost can be kept low.
特に、蓋部材をケースに接合するよりも先に筒状部を低融点はんだで封止する場合には、筒状部の加熱および冷却時にケース内の空気が膨張や収縮して溶融状態の低融点はんだに通気穴が空くなどの損傷を生じるおそれがない。 In particular, when the cylindrical portion is sealed with a low melting point solder prior to joining the lid member to the case, the air in the case expands and contracts during heating and cooling of the cylindrical portion, and the molten state is reduced. There is no risk of damage such as vent holes in the melting point solder.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示す本発明の光デバイスは、主にケース1と蓋部材2とからなるパッケージ構造を有している。ケース1は中空の筐体であり1つの面(図1(b)では上方の面)が開口部1aになっている。また、側面には孔部1bが設けられ、さらに光ファイバ3の導入部である筒状部4が設けられている。この筒状部4は、側面の中間付近、少なくとも開口部1aの外縁から十分離れた位置に設けられて、外部に向かって突出している。筒状部4はゴムフード6によって覆われている。そして、ケースの開口部1aを塞ぐように蓋部材2がYAGレーザー溶接により接合されている。蓋部材2は金属材料からなり、ケース1は主に金属材料またはセラミック材料からなる。
The optical device of the present invention shown in FIG. 1 has a package structure mainly composed of a
ただし、ケース1は主にセラミック材料からなる場合であっても、筒状部4は金属材料からなり、蓋部材2との接合面、すなわち開口部1aの外縁には金属材料からなるシールフレーム(図示せず)がろう付けされている。筒状部4は、ケース1にろう付けによって気密に接合されている。なお、金属材料は、周囲温度が変化したときのパッケージの熱膨張や収縮によって、光ファイバ3や光学素子5の固定部分に応力が加わって光軸がずれたり光ファイバ3が破断したりすることを防ぐため、熱膨張率の低いコバールや42ニッケル−鉄であることが好ましい。
However, even when the
主にケース1と蓋部材2により構成されたパッケージ内に、例えば発光素子や受光素子やレンズやミラー等の光学素子5が配置され、この光学素子5と光ファイバ3の一端部が光軸を一致させた状態で接着剤9等により固定されている。光学素子5は支持部材7上に搭載されており、支持部材7に固定されている駆動ユニット8によって駆動される。光ファイバ3は、前記した通り一端部がケース1内で光学素子5と位置合わせされて固定され、他端部側は筒状部4を貫通してケース1の外部に延びており、図示しない他の光デバイス等に接続可能になっている。
An
筒状部4には、はんだ注入口4aと接着剤注入口4bが設けられている。そして、筒状部4内は、はんだ注入口4aから注入された低融点はんだ10(例えばスズ−ビスマス合金はんだやスズ−インジウム合金はんだ)で封止され、接着剤注入口4bから注入された接着剤11(例えばエポキシ系接着剤やシリコン系接着剤など)で光ファイバ3は筒状部4内に固定されている。
The
光ファイバ3の、筒状部4内で低融点はんだ10により封止される部分3a、すなわちはんだ注入口4aの周辺の部分は、被覆除去されて芯線(裸光ファイバ)が露出させられニッケルおよび金によるメタライズ処理が施されている。図示しないが、光ファイバ3のメタライズ層が厚すぎると光ファイバ3の引っ張り強度が弱くなる傾向があることが実験によって判っているので、ニッケル層は1μm以下、金層は0.2μm以下の厚さにすることが望ましい。
The
前記したように、光ファイバ3は部分的に被覆除去され、少なくとも筒状部4のはんだ注入口4aに対向する部分は、被覆除去された上にメタライズ処理されている。この被覆除去されてメタライズされた部分3aよりもケース1内部側では、被覆が除去されずに残っている部分が存在する。これは、溶融した低融点はんだ10が光ファイバ3を伝わって光学素子5の付近まで流れ込むことを防ぐためである。また、光ファイバ3が多芯光ファイバである場合には、被覆除去されていると光ファイバ3を整列させるのが難しく図2(a)に示すように筒状部4内で配列が乱れ、低融点はんだ10を常に安定して充填できず未充填部16が生じるおそれがある。そこで、メタライズされた部分3aよりも端部側(ケース1の内部側)に被覆部を残しておき、図2(b)に示すように筒状部4内でも光ファイバ3の配列が乱れることなく低融点はんだ10で封止できるようになっている。ただし、ケース1内で光学素子5と接続される端部は、被覆除去されている。多芯光ファイバの場合を考慮すると、被覆除去されメタライズが施されている部分3aは短い方が光ファイバ3の配列が乱れにくいが、この部分3aを低融点はんだ10で封止して十分な封止効果を得るためには2〜5mm程度の長さであることが望ましい。
As described above, the
このように光ファイバ3の被覆部と被覆除去部とを交互に設けるのではなく、図3,4に示すように、光ファイバ3の、はんだ注入口4aに対応する部分からケース1内に位置する端部まで被覆を除去し、その後2〜5mm程度のはんだ封止部3aを残して、V溝17aが形成された基板17やフェルール18などの保護部材によって覆う構成にすることもできる。
In this way, the coating portions and the coating removal portions of the
筒状部4内が低融点はんだ10によって封止されるのみならず、接着剤11によっても固定されるのは、2〜5mm程度の長さの光ファイバ3のメタライズ部をはんだ付けによって固定するだけでは、引っ張り等に対する十分な強度が得られない可能性があるので、接着剤11を用いて光ファイバ3の固定強度をさらに高めるためである。
The inside of the
以上説明したように、光ファイバ3の導入部である筒状部4内が低融点はんだ10によって封止されている一方、ケース1の開口部1aが蓋部材2によって塞がれている。このケース1と蓋部材2の接合は、YAGレーザー溶接によって行われている。
As described above, the inside of the
ろう付け接合されているケース1と筒状部4には、図示しないが、耐腐食性を向上するために全体的に1〜5μm程度のニッケルメッキが施されているのが好ましい。さらに、少なくとも筒状部4の内面には、ニッケルメッキの酸化を防止しはんだ濡れ性を良くするために、ニッケルメッキ後に0.05〜1μm程度の金メッキが施されているのが好ましい。ただし、筒状部4の内面に金メッキを施す際に、ケース1、特に蓋部材2と接合される開口部1aの外縁周辺が同時に金メッキされることは好ましくない。その理由は以下の通りである。金の融点は1,060℃であり、ケース1や蓋部材2のベースとなる材料であるコバールや42ニッケル−鉄の融点はいずれも1,450℃であり、両者の融点温度は大きく異なる。それが、YAGレーザー溶接を行う際のクラック発生の原因となりやすい。このことは、非特許文献1に開示されており、融点の低い金が熱によって収縮して体積が変動することがクラックの1つの要因である。溶接部の周囲に金が含まれていると、クラックが生じて気密不良となるおそれがある。従って、筒状部4を除くケース1は、耐腐食性向上のための1〜5μmのニッケルメッキ層のみが形成されている。なお、ニッケルの融点は1,455℃であり、クラックの要因とはならない。蓋部材2にはメッキされていないか、または耐腐食性向上のための1〜5μmのニッケルメッキ層のみが形成されている。また、筒状部4の金メッキ層は、溶接工程簡略化のためマスキング等をすることなくケース全体に金メッキを施し、仮にケース1の溶接部の周囲に金が混ざるとしてもその量をできるだけ少量にすることが望ましいため、前記した通り1μm以下に形成される。
Although not shown, the
光ファイバ導入部である筒状部4の、ケース1の側面への固定位置は、ケース1と蓋部材2の接合部から十分離れている。この点について以下に説明する。
The fixing position of the
YAGレーザー等を用いたレーザー溶接は、ごく狭い範囲に局所的に熱エネルギーを付与して溶融させて溶接するものである。しかし、レーザー溶接すべきケース1の開口部1aの外縁と筒状部4とが近接していると、開口部1aの外縁に加わる熱エネルギーが筒状部4に逃げて、筒状部4の近辺ではそれ以外の部分と比べてレーザー溶接の条件に違いが生じる。すなわち、レーザー溶接のための熱エネルギーが筒状部4に逃げてしまう部分では、熱容量の変化が大きく、溶接時の溶融具合が変わる。それが、接合不良や気密不良を招くおそれがある。従って、レーザー溶接のためのレーザーの熱エネルギーが筒状部4に直接伝わらないように、筒状部4は溶接による接合部(開口部1aの外縁)から十分に離れて位置していることが好ましい。具体的には、筒状部4から開口部1aの外縁までの距離D(図1(b)参照)が例えば0.5mm以上であることが望ましい。言い換えると、筒状部4から開口部1aの外縁までの距離Dが、本実施形態のレーザー溶接により熱エネルギーが伝わる距離よりも長く、また、本実施形態のレーザー溶接時のレーザーの溶け込み深さよりも長いことが好ましい。
Laser welding using a YAG laser or the like is a method in which heat energy is locally applied to a very narrow range to be melted and welded. However, if the outer edge of the
次に、本実施形態の光デバイスの具体的な製造方法について説明する。また、製造方法をフローチャートにして図5に示す。 Next, a specific method for manufacturing the optical device of this embodiment will be described. Further, the manufacturing method is shown in a flowchart in FIG.
まず、筒状部4をケース1の側面にろう付けにより固定する(ステップS1)。詳しくは、ケース1の側面の所定の位置(開口部1aの外縁から十分に離れた位置)に孔部1bが設けられており、その孔部に対向するように筒状部4が取り付けられる。なお、ケース1は金属またはセラミックからなり、セラミックからなる場合には開口部1aの外縁に金属製のシールフレーム(図示せず)がろう付けされている。筒状部4は金属からなる。なお、ケース1や筒状部4を構成する金属材料としては、コバールや42ニッケル−鉄が用いられる。
First, the
その後、ケース1および筒状部4にニッケルメッキを施す(ステップS2)。さらに、筒状部4の少なくとも内面に金メッキを施す(ステップS3)。筒状部4に金メッキする際には、ケース1に金が付着しないようにマスキングを行う。
Thereafter, nickel plating is applied to the
光ファイバ3の一部、少なくとも完成時にはんだ注入口4aに対応する部分と、光学素子5と接続される先端部の被覆を除去する(ステップS4)。さらに、光ファイバ3の、完成時にはんだ注入口4aに対応する芯線が露出した部分(裸光ファイバ)3aに、ニッケルおよび金によるメタライズ処理を行う(ステップS5)。
A part of the
次に、光ファイバ3の一端部と光学素子5をケース1内に固定する(ステップS6)。その一例としては、まず、ケース1の外部で光ファイバ3の一端部を、駆動ユニット8ともに支持部材7に固定されている光学素子5と光軸合わせして接着剤9によって支持部材7に固定してから、この支持部材7をケース1内に固定する。そして光ファイバ3の他端部側を、ケース1内から孔部1bおよび筒状部4を貫通させて外部に突出させる。また、他の方法としては、まず、光ファイバ3の一端部を、ケース1の外部から筒状部4を貫通させてケース1内に進入させる。そして、この光ファイバ3の一端部を、ケース1内に固定されている支持部材7上の光学素子5と位置合わせして接着剤9によって支持部材7上に固定する。なお、製造すべき光デバイスの種類に応じて、例えば発光素子や受光素子やレンズやミラーなどの様々な光学素子5が用いられ、それに応じた駆動ユニット8が用いられる。ただし、支持部材7および駆動ユニット8が存在せず、光学素子5がケース1の内面に直接固定される構成であってもよい。
Next, one end of the
次に、光ファイバ導入部である筒状部4を低融点はんだ10によって封止する(ステップS7)。すなわち、光ファイバ3が挿通されている筒状部4のはんだ注入口4aから低融点はんだ10を注入して固化させる。この時、筒状部4を局所的に過熱して低融点はんだ10の融点(例えばスズ−ビスマス共晶はんだの場合には139℃、スズ−インジウム共晶はんだの場合には118℃)以上に加熱した状態で、はんだ注入口4aから溶融した低融点はんだ10を注入してもよいし、また、ペースト状の低融点はんだ10をはんだ注入口4aから注入して、筒状部4内部で加熱して溶融させてもよい。その後に低融点はんだ10を固化することによって、筒状部4が封止される。はんだ注入口4aは、固化した低融点はんだ10によって塞がれる。
Next, the
低融点はんだ10によって筒状部4を封止するステップS7において、主に低融点はんだ10の溶融のために筒状部4が加熱されるが、ケース1の内部、特に光学素子5や光ファイバ3の固定部分や接着剤9が過度に加熱されることはない。例えば、図1に示すようにコバールからなるケース1の幅が13mm、奥行きが21mm、高さが8mmで、筒状部4の直径が3mmで長さが9mm、低融点はんだ10による封止範囲がケース1の側面から5mmの範囲内である場合に、低融点はんだ10としてスズ−ビスマス共晶はんだを筒状部4に注入し150℃に加熱して溶融させても、ケース1内に固定されている光学素子5の温度は100℃未満に保たれる。従って、接着剤9や光ファイバ3の破損や位置ずれは生じない。
In step S7 of sealing the
また、低融点はんだ10による封止の後に、接着剤注入口4bから接着剤11を注入して固化させ、筒状部4内を接着剤11によっても固定する(ステップS8)。接着剤11としては、シリコン系接着剤やエポキシ系接着剤が用いられる。接着剤注入口4bは、固化した接着剤11によって塞がれる。
Further, after sealing with the low
次に、ケース1の開口部1a上に蓋部材2を置いて、YAGレーザー溶接によって接合する(ステップS9)。本実施形態で用いられるYAGレーザー溶接装置は、例えば、図6に示すように、YAGレーザー発信器12から光ファイバコード13を介して、集光レンズ14aを内蔵したレーザー出射ユニット14が接続されている出射側機器と、被加工物、すなわち光デバイスを搭載し移動可能なXYテーブル15とからなる。このレーザー出射ユニット14から、ケース1の開口部1aの外縁と蓋部材2の接合部に向けてレーザー19をパルス状に照射して溶接する。一例としては、図7に示すように、レーザービーム19のスポットサイズが0.45mm程度で、1パルス当たりのエネルギーは0.5〜1Jで、その中のピーク出力が0.5〜1kWである。そして、隣接する溶融スポット同士が60〜85%重なるように、ケース1および蓋部材2をXYテーブル15によって移動させながら、レーザー19をパルス状に照射することによって、気密性を確保した強固な接合が行われる。レーザー溶接時には、窒素雰囲気中で行うか、または低湿度環境でレーザー照射部に部分的に窒素を噴きつけながら行うのが好ましい。その理由は、酸化を防止して溶融状態を良好にするためと、封止後のパッケージ内部を低湿度状態に保ち結露を防止するためである。
Next, the
本実施形態によると、光デバイスのパッケージ形状が複雑であったり、形状を変更した場合でも、レーザー出射ユニット14または光デバイスを動作させるXYテーブル15等の動きを制御することによって、容易に対応できる。
According to the present embodiment, even when the package shape of the optical device is complicated or the shape is changed, it can be easily handled by controlling the movement of the
本実施形態のYAGレーザー溶接装置の光ファイバコード13は、GI(グレーテッドインデックス)ファイバと、SI(ステップインデックス)ファイバのいずれかが選択的に用いられる。SIファイバは断面内でのエネルギー伝達分布がほぼ均一であるため、溶融部が浅く均一になる特徴がある。したがって、蓋部材2の溶接部の厚さを0.2mm以下にする場合にはSIファイバを用いる方がよい。また、レーザー出射ユニット14内の集光レンズ14aは、必要なワークディスタンスW(図6参照)に応じて焦点距離を設定すればよい。
As the
なお、レーザー溶接装置および方法は前記した例に限定されるものではない。例えば、被加工物である光デバイスを移動させるのではなく、レーザー出射ユニット14を移動させながらレーザー出射を行って溶接してもよい。レーザー出射ユニット14と光デバイスが相対的に移動することが重要である。また、レーザー出射ユニット14と光デバイスの相対的な移動は、連続的な移動であってもよく、また間欠的な移動であってもよい。間欠的に移動する場合には、パルス状のレーザー照射と、レーザー出射ユニット14と光デバイスの相対的な移動が交互に行われるとよい。いずれにしても、レーザー19の1パルス当たりのエネルギーおよび照射時間と、レーザー出射ユニット14と光デバイスの相対移動の速度とを考慮して設定される。ただし、非常に複雑な形状の光デバイスである場合には、常に一定の速度で相対移動させることが困難である可能性もあり、そのような場合には間欠的な移動が好ましいと考えられる。また、パルス状ではなく連続的にレーザー19を照射しながらレーザー出射ユニット14と光デバイスを相対的に移動させる構成にしてもよい。
The laser welding apparatus and method are not limited to the examples described above. For example, instead of moving the optical device, which is a workpiece, laser welding may be performed while moving the
次に、本発明の第2の実施形態について図面を参照して説明する。なお、第1の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付与し説明を省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about the part similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is provided and description is abbreviate | omitted.
本実施形態では、図8に示すように、光ファイバ3として多芯光ファイバを有し、筒状部4のはんだ注入口4aおよび接着剤注入口4bが、ファイバ整列面の上方ではなく水平な位置に設けられている。この構成によると、ファイバ整列面の上下に低融点はんだが回り込みやすく、より強固で確実な固定が行える。なお、図8は、見易くするために、低融点はんだ10および接着剤11を省略して示している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, a multi-core optical fiber is used as the
1 ケース
1a 開口部
1b 孔部
2 蓋部材
3 光ファイバ
3a メタライズ処理されている部分
4 筒状部
4a はんだ注入口
4b 接着剤注入口
5 光学素子
6 ゴムフード
7 支持部材
8 駆動ユニット
9 接着剤
10 低融点はんだ
11 接着剤
12 YAGレーザー発信器
13 光ファイバコード
14a 集光レンズ
14 レーザー出射ユニット
15 XYテーブル
16 未充填部
17 基板
17a V溝
18 フェルール
19 レーザー
D 筒状部から開口部の外縁までの距離
W ワークディスタンス
101 素子
102 キャップ
103 ステム
104,105 電極
106 ローラー電極
107 ケース
108 蓋部材
DESCRIPTION OF
Claims (27)
前記ケースの側面に設けられた孔部から外部に突出する筒状部と、
前記筒状部および前記孔部を貫通して前記ケースの内部から外部へ延びており、前記筒状部を封止する低融点はんだによって該筒状部内に固定されている光ファイバと、
レーザー溶接によって、前記ケースに前記開口部を塞ぐように接合されている蓋部材とを有する光デバイス。 A hollow case having at least one opening;
A cylindrical portion protruding outside from a hole provided in a side surface of the case;
An optical fiber that penetrates through the tubular portion and the hole and extends from the inside of the case to the outside, and is fixed in the tubular portion by a low melting point solder that seals the tubular portion;
An optical device having a lid member joined to the case so as to close the opening by laser welding.
前記筒状部を低融点はんだによって封止して前記光ファイバを前記筒状部内に固定する工程と、
前記筒状部を封止した後に、レーザー溶接によって、前記ケースに前記開口部を塞ぐように蓋部材を接合する工程とを含む光デバイスの製造方法。 An optical fiber is connected to a hollow case having at least one opening, a hole provided on a side surface, and a cylindrical part protruding outward from the hole, and the cylindrical part and the hole. A step of extending through the case and extending from the inside of the case;
Sealing the cylindrical portion with a low melting point solder and fixing the optical fiber in the cylindrical portion;
And a step of joining a lid member to the case so as to close the opening by laser welding after sealing the cylindrical portion.
前記光学素子と前記光ファイバの端部の光軸合わせを行い、両者を相対的に固定する工程とをさらに含む、請求項14または15に記載の光デバイスの製造方法。 Placing the optical element in the case;
The method of manufacturing an optical device according to claim 14, further comprising a step of aligning the optical axes of the optical element and the end of the optical fiber and relatively fixing them.
被覆が除去されて前記メタライズ処理が施されていない部分のうち、前記メタライズ処理が施された部分よりも先端側の一部を保護部材によって覆う工程を含む、請求項22〜24のいずれか1項に記載の光デバイスの製造方法。 In the step of performing the metallization process on the optical fiber, the metallization process is performed only on a part of the part from which the coating is removed,
25. The method according to any one of claims 22 to 24, further comprising a step of covering a part of the front end side of a portion where the coating is removed and the metallization process is not performed with respect to the metallization process with a protective member. The manufacturing method of the optical device of description.
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